水工重力式擋土墻構(gòu)造設(shè)計及應(yīng)用

孫劍

（大同市水利規(guī)劃設(shè)計研究院 山西大同 037004）

重力式擋土墻是用墻體本身重量來平衡外力以滿足穩(wěn)定要求，多采用漿砌石和混凝土構(gòu)建。由于重力式擋土墻取材和施工均比較方便、經(jīng)濟(jì)實用，所以在中小型水利工程中得到廣泛的應(yīng)用。水利工程中常見的重力式擋土墻高度一般在6 m以下，由于重力式擋土墻結(jié)構(gòu)簡單，并且具有較好的穩(wěn)定性，因此經(jīng)常作為水閘、溢洪道、堤防工程和大型渠道的邊墻使用?？茖W(xué)的設(shè)計和使用重力式擋土墻是水工設(shè)計中的重要項目。

1 重力式擋土墻的斷面結(jié)構(gòu)形態(tài)

重力式擋土墻可分為仰斜式、垂直式與俯斜式3種形式。擋土墻土壓力計算比較復(fù)雜，目前主要利用庫倫理論和朗肯理論，兩種理論均適用于無黏性土。通常的俯斜式重力式擋土墻的墻背摩擦角δ≤0.67φ，不能滿足朗肯理論，因此重力式擋土墻多采用庫倫理論進(jìn)行土壓力計算。

選擇重力式擋土墻的形式時，需要結(jié)合工程的使用部位、地質(zhì)條件等實際情況來綜合考慮。仰斜式墻后坡比一般采用1∶0.2～1∶0.4，墻背可降低土壓力，但墻后填土卻不易壓實。當(dāng)為獲得較好的水流條件，仰斜式常作為過渡段的扭曲翼墻。當(dāng)墻后允許開挖邊坡較陡時，也可作為大型渠道的側(cè)墻或滑坡防護(hù)工程。俯斜式和垂直式的墻背可以回填土料，有利于防滲，同時墻體可以承受較大的土壓力，填土也易于夯實。實際工程中以俯斜式使用居多，主要原因是由于外墻面垂直的擋土墻與周圍建筑物更容易銜接，同時還可以得到較好的水流條件，因此常作為水閘閘室、溢洪道等水利工程的岸墻。俯斜式墻后坡比一般采用1∶0.4～1∶0.7，當(dāng)俯斜式墻身的高度較大時，為了增加墻體的穩(wěn)定性，可將外墻面做成 1∶0.1～1∶0.2 的坡面。

工程建設(shè)中重力式擋土墻的下部常做成底板形式，底板埋深通常在凍層以下。為了增加擋土墻的抗滑穩(wěn)定性，通常采取增加底板寬度、基底面做成向內(nèi)傾斜和增加凸榫基礎(chǔ)幾種措施。增加底板寬度后的前后趾寬度不宜大于0.5 m，前趾埋深還應(yīng)大于水流沖刷深度0.5 m；采用基底向內(nèi)傾斜措施時，土質(zhì)地基斜坡不陡于0.2∶1，巖石地基不陡于0.3∶1；凸榫基礎(chǔ)深度宜為0.5～1m。

2 重力式擋土墻的構(gòu)造措施

擋土墻的細(xì)部構(gòu)造對工程的質(zhì)量和安全有著非常重要的影響。工程設(shè)計中許多擋土墻的計算和施工都滿足規(guī)范要求，但在工程完工后，尤其在汛期或冬春交替期間，卻出現(xiàn)墻體裂縫或傾覆的現(xiàn)象，分析其主要原因是擋土墻的細(xì)部構(gòu)造措施不夠完善。

2.1 墻體分縫和止水

為了避免地基沉陷和溫度應(yīng)力引起的裂縫，擋土墻沿長度方向上應(yīng)設(shè)置沉降縫或伸縮縫，這兩種縫通常設(shè)置在一起。對建在軟基上的混凝土擋土墻分段長度為15～20 m，對于漿砌石擋土墻分段長度不宜大于10 m。擋土墻沿長度方向的分縫還應(yīng)考慮以下兩種情況：擋土墻在平面和立面布置的突變折點處應(yīng)設(shè)置沉降縫；擋土墻基礎(chǔ)下地基巖性發(fā)生明顯變化處也應(yīng)設(shè)置沉降縫。

墻體分縫寬度約2.0～2.5 cm，內(nèi)填閉孔泡沫板或嵌入瀝青衫板等材料用以防止墻后填料流失。根據(jù)施工經(jīng)驗，由于閉孔泡沫板容易變形，因此施工時多采用瀝青衫板填充。對于有側(cè)向防滲要求范圍內(nèi)的分縫中應(yīng)設(shè)置垂直向止水，一般水利工程可僅在墻前分縫中設(shè)置一道止水，而對于重要水利工程中的擋土墻，應(yīng)在墻內(nèi)分縫中設(shè)置前后兩道止水。擋土墻分縫的垂直止水應(yīng)和墻前迎水面的底面縫間的水平止水構(gòu)成封閉系統(tǒng)?？p中止水可使用橡膠止水帶或銅片止水（多在混凝土墻中可使用），也可用遇水膨脹止水條（多在漿砌石墻中可使用），特殊部位有時也可用雙組份聚硫密封膏進(jìn)行止水處理。

2.2 墻體排水措施

位于非防滲范圍內(nèi)的擋土墻，為了降低擋土墻后的地下水位，減小墻后的靜水壓力，通常在墻身布置適當(dāng)數(shù)量的排水孔，使墻后積水或地下水易于排出。擋土墻排水除減少靜水壓力外，對于填黏性土的擋土墻還可以提高填土的強(qiáng)度指標(biāo)，從而減少作用于墻上的土壓力，特別是在寒冷地區(qū)，降低墻后填土的含水量和削弱地下水補(bǔ)給，對減少作用于擋土墻上的水平凍脹力也有顯著作用。

墻體排水孔可根據(jù)墻高布置1～2排，孔的豎向和水平間距通常為2～3 m，孔徑為5～8 cm，最下一排距離基礎(chǔ)約30 cm。排水孔墻后進(jìn)口位置要求設(shè)置反濾，以避免排水時帶走墻后填土。實際工程中為了便于施工，排水孔內(nèi)可預(yù)埋PVC管，管插入墻內(nèi)側(cè)后，管口填濾料并裹多層針刺無紡?fù)凉げ甲鳛榉礊V保護(hù)。若墻后地下水位偏高，可以將排水孔后的濾料連起來，形成縱向排水帶，以便于排水。若墻后積水量較大，可在排水帶中埋設(shè)濾水管，以增強(qiáng)快速排水的效果，有效降低墻后地下水位?？v向排水帶的大小可根據(jù)實際的滲流量確定。

2.3 墻體抗凍脹措施

在寒冷地區(qū)，凍土層的凍脹破壞是擋土墻產(chǎn)生破壞的主要原因，這種破壞多發(fā)生在冬春交替的融化期。擋土墻的斷面尺寸多是按非凍脹土理論設(shè)計的，但是當(dāng)墻后水平凍脹力遠(yuǎn)大于非凍脹土壓力時，擋土墻將失去穩(wěn)定。對于土基，擋土墻基礎(chǔ)置于凍土層以下，過大的水平凍脹力將使擋土墻的前趾給予地基的壓應(yīng)力過大，地基應(yīng)力大小比超過允許值，導(dǎo)致不均勻沉陷前傾變位，這種破壞對于淺基擋土墻更為明顯。對于巖基，水平凍脹力的傾覆力矩大于抗傾力矩，從而導(dǎo)致墻體沉陷前傾變位。

目前還沒有一套完整的理論來解決墻后水平凍脹力的計算問題，為了保證擋土墻的穩(wěn)定和安全，工程設(shè)計中就需要采取必要的措施來減弱凍脹力的影響。從工程實踐中看，降低墻后填土的含水量和墻后地下水位是防止擋土墻凍害的最有效方法。

在滿足側(cè)向防滲要求的前提下，應(yīng)盡量設(shè)置墻后排水，尤其是布置縱向排水帶和濾水管的方法，在排除墻后積水和降低地下水位方面，效果非常明顯。

消除凍害的另一種方法是在擋土墻后換填非凍脹性土料。根據(jù)現(xiàn)場實驗資料，在相似條件下，亞黏土、亞砂土、礫石土及粗砂水平凍脹力之比為 1∶0.75∶0.67∶0.2，因此中粗砂、礫、卵石和塊石，當(dāng)細(xì)顆粒含量小于14%時即可認(rèn)為是非凍脹土，但應(yīng)注意換填料中小于0.05 mm的細(xì)顆粒含量不應(yīng)超過總重的4%。對于小于6 m的重力式擋土墻，換填厚度頂部可為0.5 m，中部為可按1.2Zd-0.5dZ計算（Zd為基礎(chǔ)埋深，dz為中部墻寬），墻后趾部厚度為0。此外，重力式擋土墻可以結(jié)合開挖邊坡，考慮在回填料外鋪設(shè)防滲土工膜形成封閉的系統(tǒng)，以防止外水補(bǔ)給。土工膜的兩側(cè)用鐵板壓條和螺栓錨固在擋土墻的后趾板和墻頂處。

一些工程中也有采用在墻背上鋪聚苯乙烯泡沫保溫板的方法來消除凍脹影響，但該種方法的造價成本相對較高，使用也相對較少。

由于產(chǎn)生水平凍脹力的因素相對復(fù)雜，采用單一的結(jié)構(gòu)措施很難達(dá)到理想的效果，因此在工程設(shè)計和施工中，應(yīng)充分考慮到擋土墻的結(jié)構(gòu)形式、使用部位和防滲要求，以及當(dāng)?shù)鼗靥盍显靸r等條件，采用排水、換填、保溫等多種工程措施相結(jié)合的方法來消除或降低凍脹影響。

3 重力式擋土墻的施工實例

大同縣茹莊水庫除險加固工程中，溢洪道泄槽段側(cè)墻采用漿砌石重力式擋土墻，斷面形式采用俯斜式，墻高為2～3 m。左側(cè)邊墻墻后土質(zhì)邊坡較高，設(shè)計在墻體分縫為10 m，墻體下部布置1排φ50排水孔。工程在施工過程中，左側(cè)邊墻基槽開挖后，在墻后位置發(fā)現(xiàn)大量地下水出溢，地下水位較高，由于出水量較大，墻體排水孔已不能滿足墻后排水要求，因此在排水孔后回填濾料外裹針刺無紡?fù)凉げ?，形成縱向排水暗溝（寬100 cm厚40 cm），將墻后積水排至下游河道，降低地下水位，同時在凍深范圍內(nèi)回填非凍脹性土料，做法見圖1。采用多種措施相結(jié)合的方法降低了冬春季節(jié)的凍脹影響，極大地提高了泄槽側(cè)墻的穩(wěn)定性，取得了良好的運用效果。

圖1 擋土墻剖面圖